底泥再懸浮對東湖水體初級生產力的影響

黃宇波羅 浩陳 雋畢永紅呂錦剛盛祥雪胡征宇（.中國科學院水生生物研究所，武漢 4007； .武漢市政工程設計研究院有限責任公司，武漢 400； .武漢市園林建筑規劃設計院，武漢 4004）

底泥再懸浮對東湖水體初級生產力的影響

黃宇波1羅 浩1陳 雋1畢永紅1呂錦剛2盛祥雪3胡征宇1
（1.中國科學院水生生物研究所，武漢 430072； 2.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，武漢 430022； 3.武漢市園林建筑規劃設計院，武漢 430014）

摘要：為研究底泥再懸浮對東湖初級生產力的影響，通過模擬東湖通道施工導致的底泥再懸浮過程，用原位黑白瓶法測量了水體初級生產力，同步測定受試水體的光強、營養鹽以及藻類葉綠素熒光活性，結果表明，隨著再懸浮底泥含量的增加，水體出現明顯的光衰減現象，光強顯著降低（P<0.05）； 總氮總磷濃度升高； 藻類最大光化學效率（Fv/Fm）上升； 水體呼吸作用顯著增強（P<0.05），總初級生產力與凈初級生產力先增大后減小。與不含再懸浮底泥的對照組相比，水體再懸浮底泥含量50—100 g/L處理組具有較高的初級生產力； 相對其他處理組，再懸浮底泥含量200 g/L處理組的初級生產力顯著降低（P<0.05），且其凈初級生產力為負值。研究結果表明，在一定范圍內的底泥再懸浮通過增加水體營養鹽含量的方式提高水體初級生產力，較大含量的再懸浮底泥則通過影響水體光強降低初級生產力，該結果確認了東湖通道施工引起的底泥再懸浮對水域生態系統的影響，值得引起關注和重視。

關鍵詞：東湖； 底泥再懸浮； 水體初級生產力

東湖位于湖北省武漢市，面積33 km2，平均水深2.2 m，由水果湖、郭鄭湖、廟湖等子湖組成，屬于城中湖泊。東湖是典型的淺水湖泊，在與沙湖聯通后水位漲落明顯，易在風浪作用下發生底泥再懸浮，底泥再懸浮導致的顆粒懸浮物濃度增加會改變水體對可見光的散射和折射作用，而隨底泥再懸浮增加的可溶性有機物還會吸收部分光照［1］，同時，底泥再懸浮會導致蓄積在底泥中的營養鹽釋放到水體中，從而改變水下光強和營養鹽濃度［2，3］。另一方面，近年來為改善武漢市的交通狀況規劃準備實施東湖通道工程，該工程位于AAAAA級東湖風景名勝區內，通道起點與二環線水東段主線高架橋紅廟立交銜接，于九女墩北側進入隧道，隧道下穿郭鄭湖北側，過湖心島，再下穿湯菱湖、沿湖路、郭鄭湖南側、梅園大門和磨山小區，穿過魯磨路、訪梅路與團山路路口后，起坡出地面。經過0.3 km地面段后再次于團山以北進入隧道，下穿團山后，于喻家湖北路以北出隧道，以地面段與喻家湖北路相接，止于喻家湖路光谷大道主線高架橋（虹景立交），全長12.14 km，其中湖底隧道全長約6.2 km。該工程建設采用圍堰明挖法，先在東湖中修筑圍堰，抽干圍堰內的湖水開展施工作業。明渠開挖的作業方式可能導致工程沿線水域受到底泥再懸浮的影響。底泥再懸浮將直接影響到湖泊的主要初級生產者——藻類，為探討底泥再懸浮對東湖水體初級生產力的影響效應，認識底泥再懸浮對水域生態系統結構和功能的作用，本研究在東湖生態系統觀測站利用黑白甁法研究了底泥再懸浮后初級生產力的變化，確認了底泥再懸浮對初級生產力的影響，為分析東湖通道工程的環境效應、把握東湖水域生態系統狀況提供依據。

1 材料與方法

底泥再懸浮的模擬:試驗用試劑瓶為美國Wheaton BOD甁，體積300 mL，對照組A不加底泥，另外3個試驗組B、C、D按東湖水與底泥質量比為1:20、1:10、1:5添加新鮮底泥，底泥含量分別為50、100和200 g/L。對照組和全部實驗組水樣灌裝前充分振蕩搖勻，灌裝好水樣的黑白瓶按照標準測試方法懸掛在東湖水體中； 每組另行同步準備4個水樣，試驗開始后測定懸浮顆粒物，總氮，總磷，濁度以及葉綠素熒光活性，測定3次，每次2個平行，取平均值。

野外水體中共設3個掛瓶層次，0.5、1.0和2.0 m，每層兩個白瓶兩個黑瓶，掛瓶時間在8:30—16:30，選擇晴天進行試驗。光強測量用LI-COR1400水下光量子儀，透明度用賽氏圓盤測定，水體懸浮物測定參見文獻［4］，總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定（GB11894-89），總磷采用鉬酸銨分光光度法測定（GB11893-89），濁度使用上海昕銳WGZ-200s濁度儀測定，葉綠素熒光活性用Water-PAM測定。

初級生產力用黑白甁法測定氧含量后計算，氧含量用碘量法測定［5］。固定初始瓶的氧，將白瓶與黑瓶在水體中放置相同時間，黑瓶由于無法進行光合作用，只進行呼吸作用。最后利用初始瓶與黑瓶氧的差值計算得到呼吸作用量，白瓶與初始瓶氧的差值得到凈初級生產量，白瓶與黑瓶氧的差值得到總初級生產量。

水柱日生產力是指一天中1 m2水面下從水表面一直到水底整個柱形水體的生產量，用算術平均值累積法計算［6］，公式如下:

式中，Pi為第i層初級生產力［g/（m2·d）］，Di為第i層深度（m），n為取樣層次（1≤i≤n-1）。

數據整理使用excel2007軟件進行，統計分析用SPSS19.0軟件，spearman，pearson相關分析和ANOVA單因素方差分析檢驗各處理組間的統計差異。

2 結果

2.1 呼吸作用

無底泥的對照組A從表層到底層的呼吸作用分別為0.18、0.11 和0.16 g O2/（m3·h），沒有表現出明顯的深度差異（P>0.05）。再懸浮底泥含量最大的D組（200 g/L）呼吸作用在各水層均表現出較高的強度，表中底層分別為0.61、0.60和0.64 g O2/（m3·h）；表層與中下層間沒有顯著的差異（P>0.05）。處理組B（50 g/L）和C（100 g/L）的呼吸作用強度在表層最大，分別為0.24和0.45 g O2/（m3·h）（圖1），隨著深度增加呼吸作用逐漸減弱； 表層與中下層間存在顯著的差異（P<0.05）。對不同處理組間的統計分析顯示，隨著水體再懸浮底泥含量的增加，水體呼吸作用顯著增強（df=3，F=15.993，P<0.05）。

圖 1 不同處理組的呼吸作用隨水深的變化

2.2 總初級生產力與凈初級生產力

圖 2 水深和再懸浮底泥含量對東湖水體總初級生產力的影響

對3次重復試驗的初級生產力計算值進行平均，得到各水層的總初級生產力平均值，如圖 2所示。除了再懸浮底泥量為100 g/L處理組的表層和中層的總初級生產力無明顯變化外，對照組與其他試驗組在垂直方向上變化一致，從表層到底層初級生產力先增大后減小； 水柱中層的初級生產力最大。對照組在中層水深處的總初級生產力為0.30 g O2/（m3·h），其他三個處理B、C、D組中層水深處的總初級生產力分別為0.40、0.29和0.25 g O2/（m3·h），在中層水深的總初級生產力按照大小對試驗各組排序為B>A>C>D，表現出隨著底泥懸浮量增加，初級生產力先增大后減小。

對水柱總初級生產力進行比較（圖 3），空白對照組A為0.33 g O2/（m3·h），小于B組［0.56 g O2/（m3·h）］和C組［0.56 g O2/（m3·h））］，但D組［0.37 g O2/（m3·h）］的值小于B組和C組，該結果與上述總初級生產力一致。統計檢驗結果顯示，水體再懸浮底泥含量對初級生產具有顯著影響； 適量的再懸浮底泥促進初級生產力的升高，但隨著底泥進一步增加，水柱總初級生產力下降。

圖 3 不同處理組的水柱初級生產力

對照組A（0）與處理組B（50 g/L）、C（100 g/L）的凈初級生產力在垂直方向上表現為先增后減，1.0 m處凈初級生產力達到最大，分別為0.19、0.24 和0.08 g O2/（m3·h）（圖 4）。再懸浮底泥含量最大的D（200 g/L）組水柱中主要表現為呼吸耗氧，且其凈初級生產力從表層至底層逐漸降低，依次為-0.33、-0.35和-0.49 g O2/（m3·h），。各組最大凈初級生產力比較，B>A>C>D。與無底泥組A的最大凈初級生產力相比，添加50 g/L的底泥B組有一定程度的上升，但再懸浮底泥含量為100 g/L（C組）和200 g/L（D組）時，最大凈初級生產力逐漸降低，直到為負值。

2.3 葉綠素熒光活性

Fv/Fm是衡量葉綠素熒光活性的一個重要參數，對照組無底泥懸浮，水體葉綠素熒光活性Fv/Fm為0.5±0.07，當再懸浮底泥含量為50 g/L時，Fv/Fm上升到0.59±0.02，再懸浮底泥含量為100 g/L時，Fv/Fm為0.6±0.02，再懸浮底泥含量繼續增加到200 g/L時，Fv/Fm仍為0.60±0.02。結果表明，加入底泥后，葉綠素熒光活性有一定程度的上升，但隨著底泥量的增加，葉綠素熒光活性的變化不大。

圖 4 各處理組的凈初級生產力隨水深的變化

2.4 水體營養鹽含量

隨著再懸浮底泥量的增加，再懸浮底泥導致水體的TN濃度逐漸上升，空白組A的TN濃度為（1.02±0.05）mg/L，D組的TN濃度最大，達到1.88 mg/L，較對照增加了84.31%。當再懸浮底泥含量從100 g/L（C組）增加到200 g/L（D組）時，TN的上升幅度較小，從1.39 mg/L上升到1.79 mg/L，增加了28.78%。A、B、C、D處理組的TP濃度分別為（0.12±0.05）、（0.20±0.03）、（0.19±0.1）和（0.38± 0.01）mg/L。底泥再懸浮后，水體TP的濃度上升，但隨著再懸浮底泥量的增加，從50 g/L（B組）增加到100 g/L（C組）時，兩者濃度僅僅相差0.01 mg/L，并無顯著變化； 再懸浮底泥含量為200 g/L時，與空白組A相比，TP濃度增大2倍（圖 5）。通過spearman相關分析發現，TP與再懸浮底泥含量相關系數為0.71，呈顯著相關（n=12，P<0.05）； TN與再懸浮底泥含量相關系數為0.76，呈顯著相關（n=12，P<0.05）。

2.5 水體光衰減

三次試驗測得原位水中懸浮物濃度平均值為4.89 mg/L，表層水體光照強度相比于空氣光照強度平均下降50.83%。隨著再懸浮底泥含量的增加，進入水體的顆粒物濃度也相應地增加，水體光強隨再懸浮底泥含量濃度的變化曲線（圖 6）顯示隨著底泥添加量的增加，水體光強逐漸降低。當再懸浮底泥含量為50 g/L時，光照強度相對于無底泥對照組下降了23.81%； 再懸浮底泥含量為100 g/L時，光強下降了34.20%； 而再懸浮底泥含量為200 g/L時，光強下降了38.89%。考慮到原位水中懸浮顆粒物在光衰減中的疊加效應，隨著再懸浮底泥含量由50 g/ L增加到200 g/L時，水體光強與空氣光強相比，分別下降了61.27%/66.55%和68.93%。spearman相關分析顯示水體光強與再懸浮底泥含量濃度顯著相關（n=12，P<0.05），相關系數為-0.97。

圖 5 底泥再懸浮對水體總氮、總磷濃度的影響

圖 6 底泥懸浮對水體光照強度的影響

2.6 總初級生產力與環境因子的關系

對總初級生產力與再懸浮底泥含量、總氮、總磷和光照強度進行相關性分析顯示（表 1），底泥濃度與總氮、光照強度顯著相關（P<0.05）。

表 1 總初級生產力與環境因子之間的相關系數Tab.1 Pearson correlation coefficient matrix between GPP and the relative environmental factors

3 討論

近幾十年來受人類活動的影響，包括武漢東湖在內的大多數淺水湖泊富營養化越來越嚴重，許多草型湖泊向藻型湖泊轉變，藻類取代水生高等植物成為湖泊主要初級生產者［7］。這使得湖泊的初級生產力與浮游植物的狀態密切相關，并受到水體理化性質的影響，光照、風速、營養鹽負荷等均影響水體的浮游植物群落結構進而影響水體的初級水產。淺水湖泊區別于深水湖泊的特點在于，風浪擾動造成底泥的再懸浮，會改變水體生態因子，造成初級生產力的變化［8］。曾臺衡等［9］對長江中下游湖泊進行初級生產力估算顯示，東湖的初級生產力在區域湖泊中處于較高水平，高于太湖、巢湖、鄱陽湖、淀山湖，但小于洞庭湖。太湖2—4月的總初級生產量維持低于0.2 g O2/（m3·h）［10］，凈初級生產力為負值。本實驗在2—4月間測得東湖的總初級生產力大于0.3 g O2/（m3·h），高于太湖，這與張運林的研究結果一致［11］。

研究發現伴隨著底泥再懸浮過程存在顯著的營養釋放現象，水體氮、磷濃度隨著水中顆粒懸浮物的增加而迅速上升，這與文獻［12］的結果一致，底泥懸浮過程釋放的營養充分滿足了藻類生長增殖的需要，這使得某些底泥再懸浮水體能維持較高的凈初級生產力［13—15］。在本試驗中，與對照組相比，一定量的再懸浮底泥處理組（B、C組）中，雖然再懸浮底泥顯著影響水體的呼吸作用，提高呼吸耗氧水平，但由于再懸浮底泥的營養釋放過程為水體提供的養分有助于藻類等初級生產者的生命活動需要，尤其是總氮含量與總初級生產力顯著相關（表1），說明適量的再懸浮底泥顯著地促進了水體的初級生產。需要說明，所測呼吸量包含了水樣中細菌及浮游動物的呼吸耗氧，因此低估了每組實際凈初級生產力。值得關注的是，高濃度顆粒物也會對藻類生理活性產生脅迫，這種影響主要來自于顆粒物的消光作用以及對藻的吸附； 有研究表明，植物處于脅迫狀態時，最大光化學效率會降低［16］。但侯秀富等［17］發現，在一定濃度范圍內，水體懸浮顆粒物促進藻類的生長。本實驗測得有再懸浮底泥存在的情況下，試驗處理組B、C、D三組的葉綠素熒光活性（Fv/Fm）與對照組間有一定差異，再懸浮底泥的存在刺激和提供了藻類的光合作用活性，本研究結果與侯秀富的結果相似。這種作用一定程度上也解釋了適量再懸浮底泥對水體初級生產力的促進作用。

除了營養鹽的影響外，光照對藻類光合作用至關重要，光照減弱會顯著降低植物的光合作用，進而影響藻型水體的初級生產。再懸浮底泥量為200 g/L的處理組D中，盡管有與其他處理組一樣的充分的營養供應能力，但其對水體有效光輻射的影響將阻礙初級生產者獲得足夠的光能用于生產（圖6），從而導致初級生產力下降，甚至使得凈初級生產力出現負值（圖 4）。底泥再懸浮后，水體中顆粒懸浮物增加，改變水體的折射和散射作用，進而改變真光層深度［18］。因此，顆粒懸浮物是水體中光衰減的主要因子［19］。在本研究中，再懸浮底泥含量越高，水中顆粒物濃度越大，光衰減越強，水體光照越弱，出現光抑制效應［20］。光照減弱，植物生長受到抑制，光補償點和光飽和點會降低［21，22］，因此，光衰減是過量再懸浮底泥對初級生產力的主要抑制因素（表 1）。

值得一提的是，作為穿湖通道建設的一種主要方式，明渠開挖具有施工方法簡單，照明通風代價小，工程造價低等優點； 但同時存在易受外界氣象條件的影響（如夏季防洪），對環境干擾大等缺點［23］。明渠開挖對底泥擾動很大，導致施工位點泥沙含量高，透明度低，底泥中營養鹽大量釋放進入水體，充足的營養鹽有助于促進藻類生長，在適宜的光照條件下，水體初級生產力上升。調查發現施工區域附近形成的封閉水體促進了水生植物生長［24］，本研究結果也證實了適量的底泥再懸浮能提高初級生產力，說明施工干擾對湖泊生態系統具有顯著的影響。在東湖通道施工的影響下，適量的再懸浮底泥可以有效促進藻類生長增殖，藻類固定的能量通過食物鏈傳遞，浮游動物生物量可隨之上升，上行效應增強［25］。因此適量的底泥懸浮可促進湖泊生態系統的物質循環和能量流動，對處于營養鹽限制的湖泊水體來說，這有利于維持復雜的水生態系統結構。然而，過量的底泥再懸浮造成水下光強太低，藻類光合作用受到抑制，初級生產力下降，用于次級生產的能量不足，可能抑制水生動物的生長，破壞復雜的食物網結構，降低湖泊生態系統生物多樣性。因此，東湖通道建設中應該注意控制底泥懸浮量，以提高水體初級生產力，維持東湖水域生態系統穩定性。

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EFFECTS OF RE-SUSPENDED SEDIMENT ON THE PRIMARY PRODUCTION IN THE DONGHU LAKE

HUANG Yu-Bo1，LUO Hao1，CHEN Jun1，BI Yong-Hong1，Lü Jin-Gang2，SHENG Xiang-Xue3and HU Zheng-Yu1
（1.Institute of Hydrobiology，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430072，China； 2.Wuhan Municipal Engineering Design & Research Institute Co.Ltd.，Wuhan 430022，China； 3.Wuhan Landscape Architectural Design Institute，Wuhan 430014，China）

Abstract:To examine the effect of suspended sediment on the primary production in the Donghu Lake，field investigation was carried out with the modified black and white bottles.The light intensity，nutrient concentrations and chlorophyll fluorescence were measured.The results showed that with the increased content of resuspended sediments，light intensity decreased significantly（P<0.05），TP concentration and the maximum photochemical efficiency（Fv/Fm）increased significantly（P<0.05），the respiration was significantly enhanced（P<0.05），the gross primary productivity and net primary productivity increased at first and then decreased.Suspended sediment at 50—100 g/L significantly increased primary productivity via the enrichment of the nutrient but dramatically repressed the gross primary productivity at 200 g/L even with a negative net primary productivity through significantly decreasing the light intensity in the water column（P<0.05）.We revealed the impacts of Donghu Channel project on the freshwater ecosystem of the Donghu Lake，which need further attention.

Key words:Donghu Lake； Re-suspended sediment； Primary productivity

中圖分類號：Q142

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3207（2016）03-0574-06

doi:10.7541/2016.77

收稿日期：2015-08-03；

修訂日期：2016-01-11

基金項目：武漢市“重度人工干擾下水環境污染處置及綜合控制關鍵技術研究”項目資助［Supported by the Research on the Key Technologies of Water Pollution Disposal and Comprehensive Control Project Under the Severe Manual Interference］

作者簡介：黃宇波（1991—），男，湖北宜昌人； 碩士研究生； 研究方向為水域生態與水污染。E-mail:yubo618@163.com

通信作者：畢永紅，E-mail:biyh@ihb.ac.cn